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TCP拥塞控制之TCP BIC

TCP/IP
2022-11-24
2355
更新：2022-11-24 14:57:02

#### TCP BIC

BIC TCP（二进制增加拥塞控制）是可用于传输控制协议（TCP）的拥塞控制算法之一。BIC针对具有高延迟的高速网络进行了优化：所谓的“长胖网络”。对于这些网络，BIC在纠正严重未充分利用的带宽方面比以前的拥塞控制方案具有显著优势。

BIC-TCP的提出者们发现了TCP拥塞窗口调整的一个本质：那就是找到最适合当前网络的一个发送窗口，为了找到这个窗口值，TCP采取的方式是(拥塞避免阶段)每RTT加1，缓慢上升，丢包时下降一半，接着再来慢慢上升。BIC-TCP的提出者们看穿了事情的本质，其实这就是一个搜索的过程，而TCP的搜索方式类似于逐个遍历搜索方法，可以认为这个值是在1和一个比较大的数(large_window)之间，既然在这个区间内需要搜索一个最佳值，那么显然最好的方式就是二分搜索思想。

因此，BIC实现了一种独特的拥塞窗口（cwnd）调整算法。<font color=red>该算法试图通过分三部分搜索来找到最大cwnd：二进制搜索增加、加法增加和缓慢启动</font>。当出现丢包的时候，说明最佳窗口值应该比这个值小，那么BIC就把此时的cwnd设置为Wmin，把乘法减小后的值设置为Wmax，然后BIC就开始在这两者之间执行二分思想——每次跳到Wmin和Wmax的中点。

![image-20221124144420218](https://ngdcn.com/zb_users/upload/2022/11/tcp_cc_work/image-20221124144420218.png)

**虚线左边的图像**，也就是加法增窗(Additive Increase)，二分搜索(Binary Search)的过程，整个增窗流程趋近一个凸函数的左半边，这样带来的好处是：**越接近Wmax附近，窗口的增加速度越慢**，这也就意味着，在一次经历了一次丢包后，窗口会更快的接近W，并在W附近停留更多的时间(对比reno的锯齿形图像可以有更明显的感觉)。当然你可能会觉得，W如果在Wmin附近呢？不是更快超过了吗？如果你产生了这样的疑问，你需要明确一个观点，对于整个网络来说，我们需要的是最终的收敛，而不是一次的收敛，网络拥塞丢包的大部分情况是，当前网络中所有的连接占满了带宽，此时有一个新链路加进来，那么新链路争抢资源过程则势必会引起丢包，合适的做法应当是，现有的各条链路让出部分资源，让新的链路可以和旧链路一样公平的拿到其应得的资源。所以，我们需要的是最终收敛，所有链路快速且公平的拿到带宽资源，因此，我们衡量一个拥塞控制算法的优劣时，会看他的收敛速度，公平性。回到刚才的问题上来，W如果在Wmin附近也并不影响，BIC会快速进入到下一次增窗过程中去，然后达到最终收敛。

**虚线右边的图像**，这个过程被称作最大窗探测过程(Max Probing)，顾名思义，这个过程就是在探测当前合适的最大窗口，为什么要设计成这样呢？BIC算法的设计者认为，当窗口Wmax超过以后，如果还未发生丢包，则说明网络变好了，或者有部分链接让出了资源，那么我们要尽可能的去抢占他，首先我们先慢慢的尝试，然后越来越快，以保证整个网络资源的利用率，因此Max Probing被设计为虚线左边的旋转对称的模样。当然，Max Probing的增窗过程真的合理吗？它确实保证了快速收敛，但对于其公平性(相对于tcp_reno，网络上会同时存在大量拥塞算法)，可能要打一个问号。

**其他需要考虑的细节：**

> 如果Wmin比较大的时候，那么把窗口调整到其乘法降低后的Wmax和Wmin的中点，其增长量可能比大，也就是说在一个RTT里面增长过多，这会造成传输上的抖动，因而BIC-TCP选取了另外取了两个参考值，称为Smax和Smin，如果中点和当前cwnd值的差大于Smax的话，那么cwnd就只增长Smax，如果没有发生丢包，那么就重新设置Wmax为当前的cwnd值，如果丢包，那么设置Wmin为当前的cwnd值。该过程一直如此下去，直到窗口增长值小于Smin，也就是说在这个时候Wmin和Wmax非常接近了，达到这种情况下，可以说明现在的网络环境变好，那么把cwnd设置为Wmin。
>
> 如果窗口值超过了Wmin，那么可以说明稳定状态下的窗口值应该比当前的窗口值要大，此时就需要搜索出新的Wmin值，BIC-TCP进入一个称为“max probing”的阶段。在这个阶段，首先把Wmin设置为一个非常大的值，然后BIC采取了一个类似慢启动策略，每个RTT后窗口值变为cwnd+1，cwnd+2，cwnd+4......cwnd+Smax，直到增长为Smax的时候再次进入二分阶段。
>
> 另外由于该增长方式在小带宽下显然不怎么奏效，BIC规定了如果当前窗口值小于low_window(该值在实现里面为14)，那么就采用标准TCP的拥塞方式进行处理。

BIC TCP默认在Linux内核2.6.8及以上版本中实现和使用。2.6.19版本中的默认实现再次更改为CUBIC TCP。

参考资料：

1、https://zhuanlan.zhihu.com/p/366392032

2、https://www.cnblogs.com/fll/archive/2009/02/24/1397592.html

3、https://webot.org/info/en/?search=BIC_TCP

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